第5章发酵过程及控制

1、第五章发酵过程及一、二、发酵过程中的代谢变化及规律三、基质浓度变化及四、温度对发酵的影响及 五、溶解氧对发酵的影响及六、pH对发酵的影响及七、CO2对发酵的影响八、的形成及九、染菌分析及发酵是一个复杂的生物化学过程影响因素很多：菌种、培养基、温度、pH、溶氧、污染等。一、菌种是发酵的关键，从一个保存的菌种，到生产上使用的，如果按几十几百吨的发酵规模，10的量（接种量）计，需要几吨几十吨的种子。（一）、作为1、细胞的生活的要求：，移种至发酵罐后能迅速生长2、菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求3、无杂菌污染4、生理形状稳定、保持稳定的生产能力（二）、1、工艺流程的工艺流程及对发酵的影响2、接种

2、时间（种龄）和接种量接种时间：对数生长期，菌体量还未达最。接种量：决定于生产菌种在发酵罐中的繁殖速度。谷氨酸棒状杆菌：1大多数抗生素发酵：510% 个别的发酵：2025接种量过小，除延长发酵周期外，往往还引起其它不正常情况。接种量过高，会使菌体生长过快，培养液粘度过高，造成供氧不足。3、质量检查与检查pH检查培养基灭菌后糖、氮、磷等的含量检查菌丝的形态、浓度、无菌检查稳定性检查其它参数检查： 某种酶的活性产物量等液外观等（三）、影响1、原材料质量质量的因素：2、培养温度、湿度、时间等3、罐通气量4、冷藏时间5、传代次数二、发酵过程中的代谢变化及规律与代谢有关的参数：1、物理参数、温度、罐压、搅

3、拌速度、空气流量、表观粘度、发酵液重量与代谢有关的参数：2、化学参数、基质浓度、pH、产物浓度、DNA量、关键酶、溶解氧、排气中的氧含量、排气中的CO2含量与代谢有关的参数：3、生物参数、菌丝形态、菌丝干重或湿重、菌体比生长速率、氧的比消耗速率、糖的比消耗速率、氮的比消耗速率、产物的比生产速率三、基质浓度变化及（一）、碳源浓度变化及碳源物质是发酵过程中菌体生长和产物的能量和碳素的来源。在发酵的前期，碳源物质主要用于生长，消耗较快，在发酵后期，碳源物质主要用于产物合成，消耗速度放缓。快速利用的碳源物质：对生长有利，对次级代谢产物的形成有抑制作用。缓慢利用的碳源物质：对延长产物的有利的，尤其是次级

4、代谢产物。是到发酵的中后期，发酵液中的残糖基本耗尽，影响产物的。如果采用丰富碳源的培养基，又会产生其它的问题，如培养基浓度过高， 影响通气搅拌，过高的碳源浓度也抑制菌体的生长。解决的方法是采取“中间补料” 补糖的方法：连续滴加补糖小量多次间歇补糖大量补糖“中间补料”可以延长产物的产生时间，推迟菌体的自溶时间，增加了发酵液的体积，而使发酵大幅度上升。（二）、氮源浓度变化及氮源物质主要用于菌体中蛋白质、核酸等含氮物质的，有些发酵产物中含有氮。发酵前期，氮源物质随菌体浓度的急剧增加而迅速减少，发酵中期，氮源（氨基氮）的下降速度比较缓慢，发酵后期，由于菌体自溶，氨基氮会回升。氮源物质往往抑制次级产物的

5、。快速利用的氮源物质：如氨水、铵盐促进菌体生长。缓慢利用的氮源物质：有利于延长产物的期。一般情况下，发酵培养基中同时含快速利用的氮源和缓慢利用的氮源物质。如果氮源物质投料多，会造成菌体生长快，但菌老也快。解决方法：“中间补料”。四、温度对发酵的影响及（一）、温度对微生物和发酵的影响1、不同的菌、不同的发酵对温度的要求不一样。2、菌体生长的最适温度与产物形成的最适温度往往不一致。3、菌种在不同的生长期对温度的敏感性不同。4、温度归根结底是影响酶的活力。谷氨酸菌种的最适生长温度和产物形成的最适温度菌种温度（）12996171542T-613最适生长温度 最适产物形成温度30-323432-3434

6、-3630-3434-3632-3636-38（二）、温度在发酵中的变化规律（三）、温度的依靠夹层或蛇管。目前许多发酵罐都采用自动化。五、溶解氧对发酵的影响及溶解氧：溶解于液体（发酵液）中的氧。氧难溶于水，在25，1atm下，氧在水中的溶解度为0.26mmol/升，临界溶解氧浓度：满足微生物呼吸的最低限度的溶解氧浓度。一般好气性微生物约为0.0030.05m之间。mol/升微生物名称温度（）C临界（m mol/升）固氮菌300.018-0.049大肠杆菌150.0031大肠杆菌37.80.0082酵母菌200.0037酵母菌34.80.0046橄榄型青霉菌240.0022橄榄型青霉菌300.0

7、09橄榄型青霉菌320.02（一）影响需氧和供氧的因素影响微生物需氧量的因素1、菌种2、菌体浓度3、菌龄4、培养基影响供氧量的因素1、搅拌2、通气量3、空气分布管的结构4、发酵罐的液柱高度/直径比5、培养液的物理性质6、（二）溶解氧的溶解氧的：应满足需氧供氧需氧方面最适的菌体浓度供氧方面：1、改变气体成份2、提高搅拌速度3、增加挡板4、增加通气量5、提高罐压几个概念：呼吸强度：指一克干菌体，在一小时内所需氧的毫数摄氧量：指一升发酵液，在一小时内所需氧的毫数通气量：指一分钟内，通过发酵液的空气体积比发酵液的体积六、pH对发酵的影响及（一）、pH值对发酵的影响：1、pH影响酶的活性2、pH影响微生

8、物细胞膜的带电状况，从而影响微生物对养料的吸收和对代谢产物的3、pH影响培养基中某些营养物质的可给性4、pH可能改变培养基的氧化还原电位5、pH会影响某些微生物的形态（二）、影响pH变化的因素：1、菌种特性2、培养基组成3、发酵条件（三）、pH在发酵过程中的变化规律在发酵前期，菌体生长缓慢，糖分解的少，铵离子利用的也少，所以pH变化缓慢。随菌的生长，菌分解了含氮有机物，铵，培养基的pH会缓慢上升。出当菌转入对数生长期，由于菌体大量繁殖，大量利用糖和铵离子，培养基的pH逐渐下降。在生长后期，由于菌体自溶，又回升。出铵，pH（四）、发酵过程中pH的调节1、调节培养基的配方2、补料加酸、加碱流加无机

9、氮源加碳源物质3、调节通气量七、CO2对发酵的影响CO2是微生物的代谢产物，同时它往往所需的一种基质。也是排气中CO2的浓度与细胞量有一定的联系，通过测定CO2的生成，可用来估算菌的生长速率和细胞量。溶解在发酵液中的CO2对氨基酸、抗生素等发酵具有抑制或刺激作用。（一）、CO2对菌体生长及产物形成的影响当排气中的CO2浓度高于4时，菌体碳水化合物的及呼吸速率下降。发酵液中的CO2浓度为1.6×102mol时，会严重抑制酵母菌的生长。CO2影响产霉的形态。CO2对氨基酸的影响CO2对紫苏霉素生物的影响进气中CO2含量（）紫苏霉素相对产量01234100661500（二）、排气中CO2与

10、菌体生长的关系（三）、排气中CO2与pH的关系（四）、排气中CO2与排气中O2之间的关系CEORQ（呼吸商）=OUT率（molCO2/L×h）CEO：CO2OUT：菌耗氧率（molO2/L×h）酵母菌：RQ=0.93 RQ=1.0RQ1.1生成柠檬酸生成菌体生成乙醇青霉素发酵RQ=0.909 RQ=1RQ=4菌体生长菌体维持青霉素生产八、的形成及的危害1、气泡中的空气有隔热作用，影响灭菌。2、多会从轴封溢出，容易造成染菌。3、降低了发酵罐的装料系数。4、严重时停搅拌，影响正常的发酵过程。影响消长的因素1、通气搅拌的强烈程度2、培养基的配比及原材料3、灭菌4、和接种量5、培养

11、液本身的性质变化6、染菌的消除1、机械消泡消沫桨引出罐外消泡后再引回罐内2、化学消沫油脂泡敌九、染菌分析及Penicillin-binding Proteinsn The penicillin-binding proteins,(PDB entry3pte), use a serine amino acid in their reaction,colored purple here. The serine forms a covalent bond with a peptidoglycan chain, then releases it as it forms the crosslink wi

12、th another part of the peptidoglycan network. Penicillin binds to this serine but does not release it, thus permanentlyblocking the active site.PDB entry 3pten Beta-lactamases, (PDB entry 4blm), have asimilar serine in their active site pocket. Penicillin also binds to this serine, but is then relea

13、sed in an inactivated form. Other beta- lactamases do the same thing, but use a zinc ion instead of a serine amino acid to inactivate thepenicillin.PDB entry 4blm（一）染菌分析某发酵厂染菌现象的统计分析1、带菌或怀疑带菌9.64%2、罐压跌零造成染菌3、培养基未彻底灭菌4、空气系统带菌0.79%19.96%0.48%12.36%5.89%0.59%1.54%2.09%1.54%10.13%10.15%20.91%5、冒顶6、夹层穿孔7

14、、其它管道穿孔8、接种管穿孔9、阀门泄漏10、搅拌轴密封泄漏11、罐基漏12、其它设备漏13、操作问题14、不祥1、带菌或怀疑带菌10%1%20%10%40%20%2、培养基未彻底灭菌3、空气系统带菌4、操作问题5、设备问题6、不祥染菌规模：大批发酵罐染菌、部分发酵罐染菌、个别发酵罐染菌染菌时间：早期、中后期染菌种类：芽孢杆菌、小球菌、霉菌、酵母菌、水生细菌（二）防止染菌的措施主要是加强管理：1、培养基的无菌试验2、3、设备的定期检查、维修4、严格、规范的操作（三）染菌后的挽救措施1、罐染菌：倒罐，从其它未染菌的罐移种。2、发酵罐早期染菌：调酸以抑制杂菌生长；加入抑制杂菌生长；培养基重新灭菌，转入发酵旺盛的发酵液。3、发酵罐后期染菌：根据情况，提前放罐。（四）噬菌体污染与防治噬菌体在自然界广泛存在，噬菌体污染轻则减产，重则倒罐，